4 февраля 2022 года SpaceX запустила 49 спутников в рамках интернет-проекта Илона Маска Starlink, и большая часть из них сгорела в атмосфере через несколько дней. Причиной этого провала стоимостью более 50 миллионов долларов США стала геомагнитная буря, вызванная Солнцем. Геомагнитные бури возникают, когда космическая погода влияет на Землю и взаимодействует с ней. Подобная космическая погода вызвана флуктуациями внутри Солнца, которые выбрасывают электроны, протоны и другие частицы в космос. Лектор кафедры машиностроения и аэрокосмической техники Университета Западной Вирджинии Пиюш Мехта изучает опасности, которые исходят от космической погоды в сторону космического оборудования, и то, как ученые могут улучшить модели и прогнозы погоды для защиты от этих опасностей. Когда космическая погода достигает Земли, она запускает множество сложных процессов, доставляющих много неприятностей всему, что находится на орбите. И такие инженеры, как Мехта, работают над тем, чтобы лучше понять эти риски и защитить от них спутники. Что влияет на космическую погоду? Солнце всегда выбрасывает в космос постоянное количество заряженных частиц. Это называется солнечным ветром. Солнечный ветер также несет с собой солнечное магнитное поле. Иногда локализованные флуктуации на Солнце выбрасывают необычайно сильные всплески частиц в определенном направлении. Если Земля окажется на пути усиленного солнечного ветра, вызванного одним из этих событий, и будет поражена, вы получите геомагнитную бурю. Двумя наиболее распространенными причинами геомагнитных бурь являются выбросы корональной массы (взрывы плазмы с поверхности Солнца) и солнечный ветер, выходящий через корональные дыры (пятна низкой плотности во внешней атмосфере Солнца). Скорость, с которой выброшенная плазма и солнечный ветер достигают Земли, является важным фактором: чем выше скорость, тем сильнее геомагнитная буря. Обычно солнечный ветер распространяется со скоростью примерно 1,4 миллиона километров в час. Но сильные солнечные явления могут вызывать ветры в пять раз быстрее. Самая сильная геомагнитная буря за всю историю наблюдений была вызвана выбросом корональной массы в сентябре 1859 года. Когда частицы ударялись о Землю, они вызывали электрические скачки в телеграфных линиях, которые поражали операторов и, в некоторых крайних случаях, фактически поджигали телеграфные приборы. Исследования показывают, что если геомагнитная буря такой силы обрушится на Землю сегодня, она нанесет ущерб примерно в два триллиона долларов. Магнитный щит Выбросы Солнца, включая солнечный ветер, были бы невероятно опасны для любой формы жизни, которой не посчастливилось подвергнуться их прямому воздействию. К счастью, магнитное поле Земли защищает человечество от многого. Первое, с чем сталкивается солнечный ветер при приближении к Земле, — это магнитосфера. Эта область, окружающая атмосферу, заполнена плазмой, состоящей из электронов и ионов. В ней преобладает сильное магнитное поле планеты. Когда солнечный ветер сталкивается с магнитосферой, он переносит в этот слой массу, энергию и импульс. Магнитосфера способна поглощать большую часть энергии повседневного уровня солнечного ветра. Но во время сильных бурь она может перегружаться и отдавать лишнюю энергию в верхние слои земной атмосферы вблизи полюсов. Это перенаправление энергии к полюсам приводит к фантастическим полярным сияниям, но оно также вызывает изменения в верхних слоях атмосферы, которые могут нанести вред космическим объектам. Опасности для объектов на орбите Существует несколько различных способов, которыми геомагнитные бури угрожают орбитальным спутникам, ежедневно обслуживающим людей на земле. Когда атмосфера поглощает энергию магнитных бурь, она нагревается и расширяется вверх. Это расширение значительно увеличивает плотность термосферы, слоя атмосферы, который простирается примерно от 80 до 1000 километров над поверхностью Земли. Более высокая плотность — большее сопротивление, что может быть проблемой для спутников. Именно эта ситуация привела к гибели спутников SpaceX Starlink в феврале. Спутники Starlink сбрасываются ракетами Falcon 9 на низкую орбиту обычно где-то между 100 и 200 километрами над поверхностью Земли. Затем спутники используют бортовые двигатели, чтобы медленно преодолевать силу сопротивления и подниматься на свою окончательную высоту (550 километров). Последняя партия спутников Starlink столкнулась с геомагнитной бурей еще на очень низкой околоземной орбите. Их двигатели не смогли преодолеть значительно возросшее сопротивление, спутники начали медленно падать на Землю и в итоге сгорели в атмосфере. Сопротивление — это лишь одна из опасностей, которую космическая погода представляет для объектов в космосе. Значительное увеличение количества высокоэнергетических электронов в магнитосфере во время сильных геомагнитных бурь влечет за собой проникновение большего количества электронов через экран космического корабля с последующим накоплением в электронике. Это способно привести к разряду, который соизмерим с небольшой молнией, и повреждению электроники. Проникающая радиация или заряженные частицы в магнитосфере — даже во время умеренных геомагнитных бурь — также могут изменить выходной сигнал электронных устройств. Это явление вызовет ошибки в любой части электронной системы космического корабля, а если ошибка произойдет в важном отделе, весь спутник может выйти из строя. Небольшие ошибки вполне распространены и исправимы, но полные провалы, хотя и редко, случаются. Наконец, геомагнитные бури могут нарушить способность спутников связываться с Землей с помощью радиоволн. Многие коммуникационные технологии, например, GPS, основаны на радиоволнах. Атмосфера всегда искажает радиоволны на некоторую величину, поэтому инженеры корректируют это искажение при построении систем связи. Но во время геомагнитных бурь изменения в ионосфере — заряженном эквиваленте термосферы, который охватывает примерно тот же диапазон высот — преобразуют то, как через нее проходят радиоволны. Калибровки для спокойной атмосферы становятся неверными во время геомагнитных бурь. Это затрудняет захват сигналов GPS и может отклонить позиционирование на несколько метров. Для многих отраслей (авиации, морского судоходства, робототехники, транспорта, сельского хозяйства, военного дела и других) погрешность GPS-позиционирования в несколько метров просто неприемлема. Автономные системы вождения также потребуют точности. Как защититься от космической погоды Спутники имеют решающее значение для функционирования большей части современного мира, и защита космических объектов от космической погоды является важной областью исследований. Некоторые риски можно минимизировать, предохраняя электронику от излучения или разрабатывая материалы, более устойчивые к излучению. Но перед лицом мощной геомагнитной бури можно обеспечить лишь ограниченную защиту. Способность точно прогнозировать штормы позволила бы в определенной степени уберечь спутники и другие объекты, отключив чувствительную электронику или переориентировав спутники для лучшей защиты. Несмотря на то, что моделирование и прогнозирование геомагнитных бурь за последние несколько лет значительно улучшились, прогнозы часто бывают неверными. Национальное управление океанических и атмосферных исследований США предупредило, что после выброса корональной массы «вероятна» геомагнитная буря за день до или в день запуска Starlink в феврале. Миссия все равно состоялась. Солнце похоже на ребенка, который часто закатывает истерики. И его постоянно меняющийся характер усложняет нашу жизнь. По материалам статьи «Solar storms can destroy satellites with ease – a space weather expert explains the science» The Conversation